电化学迁移是一种电化学现象。高密度电路板封装中，在一定的温湿度条件下绝缘材料表面凝聚了水膜，线路或焊点的阳极金属被水解形成金属离子，在电场力的作用下，通过迁移到阴极，并被还原逐渐形成树枝状金属沉积物，被称为“晶枝”，其从阴极向阳极生长，导致相邻两极间的表面绝缘电阻（Surface Insulation Resistance, SIR）显著降低的失效现象称为电化学迁移。

影响电化学迁移的最主要因素为温度、相对湿度、偏置电压、线间距、电极材料等。G. DiGiacomo研究得到高密度印制电路板表面电化学迁移失效时间与温度服从Arrhenius方程，而与电场强度、相对湿度呈负指数函数的经验公式。杨双、A. Christou研究浸银电路板表面电化学迁移失效时间与温度、相对湿度和电压的关系，并进行失效物理建模。导线间距的减小增加了电场强度，会加速电化学迁移的发生。R. Ambat等发现电路板表面存留助焊剂时会阻碍电化学迁移反应，而尘土会对电化学迁移起促进作用，但没有对其反应机理进行说明。

我国空气污染严重，尘土颗粒可随空气流动进入电子设备内部，靠重力和静电力附着在电路板及电子元器件表面引发各种电接触故障，而电子器件的故障会进一步影响整个系统的可靠性。尘土从组成上可分为可溶性盐和不可溶性颗粒。可溶性盐的溶解度越大，导致覆盖的电路板临界湿度越低，更易引起绝缘电阻下降，加快电化学迁移失效。

实验证明，随着盐溶液中离子浓度的升高，电路板失效机理由电化学迁移转变为离子性导电。电路板表面的尘土不可溶颗粒在毛细管作用力下吸附水分，并减慢水分的脱附作用，其中片状云母颗粒在高温阶段的保湿作用强于颗粒状SiO2，在降湿阶段延缓水分脱附更显著。

尘土对电路板的覆盖，还会升高局部温度，加速电化学迁移失效。尘土颗粒的介电特性导致导线间电场分布不均匀，从而改变阳极金属离子迁移后形成晶枝的生长路径，延缓了失效。尘土污染还会引起电路板表面温升，从而加剧电化学迁移。

综上可知，尘土会影响电路板表面湿度、温度和电场分布，进而改变电化学迁移机理和失效时间。

北京室内自然积尘实验表明，尘土沉积面密度基本呈线性增长，30天能达到170◆g/cm2。成分检测发现，北京室内自然积尘中无机物占70%，其余为有机物和炭黑。无机物中可溶性盐约为4%，其余为不可溶颗粒。北京邮电大学的研究人员将尘土中不溶性颗粒作为主要环境污染物质，以积尘的颗粒覆盖密度作为影响因素，研究其与温度、相对湿度和偏置电压交互作用下的电路板电化学迁移的失效特征、失效机理和失效时间，为建立尘土污染环境对电路板可靠性影响的检测方法奠定基础。

图1 梳状电路板样品

图2 多通路绝缘电阻测试系统框图

研究人员通过选取13～18◆m粒径的SiO2颗粒作为尘土不溶性物质的代表，在标准梳状电路板上进行温湿偏置实验，研究尘土颗粒覆盖密度对电化学迁移失效的作用机理和作用特性。通过实验发现，以350◆g/cm2为分界，颗粒覆盖低密度区和高密度区内失效时间呈现不同的变化规律。

图3 低密度下颗粒在表面吸附水分形成弯月面

在颗粒分布低密度区间（低于350◆g/cm2时），颗粒在毛细管作用力下吸附水分，随颗粒覆盖密度增大，电路板表面水膜增加，促进了金属离子的电化学迁移，电路板表面绝缘电阻间歇失效频率增加，晶枝数量增加，生长范围增大，并出现永久性失效，失效时间与颗粒覆盖密度呈负指数函数。

图4 高密度下颗粒阻碍电路板表面水分吸附

在颗粒分布高密度区间（高于350◆g/cm2时），更多的颗粒覆盖使得电路板表面吸附水分的区域减少，而且大量颗粒阻挡了晶枝的形成路径，且使晶枝结构疏松，永久性失效消失，间歇性失效减少，延缓了绝缘失效的发生，失效时间与颗粒覆盖密度呈正指数函数。

电路板电化学迁移失效时间随尘土覆盖密度增加呈现的这种非单调变化，体现出尘土颗粒对电化学迁移失效的双向作用。本研究为建立尘土污染环境下高密度电路板的可靠性检测方法奠定了基础。

以上研究成果发表在2020年第12期《电工技术学报》，论文标题为“尘土覆盖密度对电路板电化学迁移失效的作用”，作者为周怡琳、鲁文睿。